CN106535200A - 一种基于层叠网络的QoS优化方法 - Google Patents

Abstract

本发明针对层叠网络难以实现QoS协同优化问题，通过动态调节层叠网络容量和建立QoS优化模型，实现层叠网络的QoS弹性优化管理。

Description

一种基于层叠网络的QoS优化方法

技术领域

本发明涉及通信网络领域，特别是涉及排队论，以及优化理论。

背景技术

无线网络中不同的业务对时延和服务质量的要求各不相同，针对有特定服务质量要求的业务，无线网络的资源如何进行分配面临着新的挑战。

分层异构无线网络为人们提供机动灵活的业务服务的同时,也带来了许多问题。由于无线频谱资源匮乏,无法为各个异构节点分配独立的频谱资源,在复杂的分层异构无线网络环境下存在严重的干扰,而这些干扰将严重影响通信***的性能,恶化用户的服务质量。同时,部署大量的异构节点将增加网络的整体能耗,从能效优化的角度进行高效能耗管理,减小运营成本和对环境的影响,也是未来分层异构无线网络发展需要重点解决的问题。然而,传统的干扰管理和控制技术主要侧重于无线链路级,但是在分层异构无线网络中很多干扰来源于异构节点之间的跨层干扰,这就导致高效的干扰协调技术必须适应分层异构无线网络中复杂的无线环境和用户行为，一种典型的层叠网络结构如图1所示。

为了提高分层异构无线网络的组网性能,采用基于认知和协同的动态无线资源管理和干扰控制技术。部分学者分析了分层异构无线接入网和协同中继***的传输性能,但仍主要是侧重分集性能,而如何逼近理论的分集性能需要对相应的无线资源分配和组网技术进行研究，采用小区扩展技术的分层异构网络示意图如图2所示。另外部分学者给出了基于认知技术的异构无线接入网的架构,并提出了频谱感知、频谱判决、频谱共享和频谱移动性等关键的技术挑战。部分学者首次提出了无线网络自组织技术的原理和功能以及对现有协议的影响等,为异构无线网络的自组织功能要求提供了研究方向,但相关研宄还处于起步状态。由于分层异构无线网络涉及协同、认知、多层覆盖和动态多维无线资源管理,而现有的研究还侧重单理论和单技术的研究,并没有深入展开分析异构无线网络下先进的高谱效和高能效特性。另一方面,当前固定频谱分配的方式已经不能满足日益增长的数据传输需求,因此分层异构无线网络需要通过动态、灵活的方式在异构节点之间配置频谱。在分层异构无线网络中,可以让一部分用户通过认知和机会式的占用频谱进行数据传输,以提高频谱利用率。近年来,学者们针对不同应用场景及不同传输模式,从各个角度对无线场景中的认知技术展开了研究,提出了多种感知频谱占用情况的算法,如匹配滤波法、循环平稳检测法和能量检测法等，用以提升QoS能力。

因此,在分层异构无线网络中,QoS保障能力是未来研究的重要内容，有必要设计一种基于层叠网络的QoS优化方法。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：通过动态调节层叠网络容量，并建立功率控制机制以及建立QoS优化模型，实现层叠网络的QoS弹性优化管理。

本发明为解决上述技术问题所采用的技术方案包括以下步骤，如图3所示：

A、动态调节层叠网络容量，并建立功率控制机制；

B、建立QoS优化模型。

所述步骤A中，具体为：其中x_m为宏用户设备，k为子信道标识，为主升级节点m在子信道k的传输功率，为主升级节点m在子信道k的功率增益，为x_m与主升级节点m之间使用信道子信道k进行传输的路径丢失概率，PL_outdoor为户外路径丢失产生的能量损耗，为从主升级节点m至x_m之间子信道k的信干噪比，d为归属升级节点与x_m之间的欧氏距离，为FUE与对其服务的归属升级节点之间使用子信道k进行传输的最大容量，N₀为噪声功率谱密度均值，M为多个主升级节点集合，F为多个主升级节点的干扰集合，为为干扰控制节点y_f与干扰节点f之间使用子信道k进行传输的路径丢失概率，为从升级节点y_m的干扰控制节点y_f至干扰节点f在子信道k的传输容量，为网络中的频谱系数，C_avg为平均网络容量，C为信道容量，W为信道带宽，BER为误比特率，△B为子载波带宽，为独立于M之外的主升级节点m′∈M′在子信道k的传输功率，为主升级节点m的干扰f在子信道k的功率，为x_m与主升级节点m′∈M′之间使用子信道k进行传输的路径丢失概率，为干扰控制节点y_f与主升级节点m之间使用子信道k进行传输的路径丢失概率，为干扰控制节点y_f与主升级节点m′∈M′的干扰f′∈F′之间使用子信道k进行传输的室内路径丢失概率，为从干扰节点f至从升级节点y_m的干扰控制节点y_f之间子信道k的信干噪比，为干扰节点f至从升级节点y_m的干扰控制节点y_f之间子信道k的传输容量，为从干扰节点f至从升级节点y_m之间子信道k的信干噪比，干扰控制节点位于飞蜂窝用户端内,

PL_outdoor＝28+35log₁₀(d)

所述步骤A中，功率控制机制为：a.侦听子信道占用情况，若PU不存在，则CU以更大功率进行数据发送,若PU存在,则启用功率控制方法，并通知干扰范围内其余节点该信道将被占用；b.获取在干扰覆盖域内同时接入该信道的所有CU状态信息，并获得它到PU以及到下一跳节点CU的信道增益集合；c.获取参数其中为均值为0,方差为σ的正态分布随机变量，d₀为CU_i至主用户PU的距离，d₁为CU_i至CU_j的距离，g₀为CU_i至主用户PU的路径损耗，g₁为CU_i至CU_j的路径损耗；d.获取最佳传输功率P并以P进行数据传输，CU为从用户。

所述步骤B中，具体为：建立QoS优化模型:

其中N为网络中的节点集合，N_i为节点i的单跳邻近节点集合，I_i为节点i的干扰节点集合，L为可用信道数目，P＝N×N为节点对集合，p^src,p^dst分别为节点对p的源节点和目的节点，h_i,m_ij,均为决策变量，若业务流从节点i转移至节点j，则反之则若节点i为簇头则h_i＝1，反之则h_i＝0，若节点i为以节点j为簇头的簇中间的某个节点则m_ij＝1，反之则m_ij＝0，若节点k作为簇头节点i与簇头节点j之间的桥接设备则反之则若簇头节点i使用信道l进行数据传输则反之则若簇头节点i与簇头节点j同时使用信道l进行数据传输则反之则若节点j为簇头则h_j＝1，反之则h_j＝0，i≠j。

附图说明

图1典型层叠网络功能结构示意图

图2采用小区扩展技术的分层异构网络示意图

图3基于层叠网络的QoS优化流程示意图

具体实施方式

为达到上述目的，本发明的技术方案如下：

第一步，动态调节层叠网络容量，并建立功率控制机制，具体为其中x_m为宏用户设备，k为子信道标识，为主升级节点m在子信道k的传输功率，为主升级节点m在子信道k的功率增益，为x_m与主升级节点m之间使用信道子信道k进行传输的路径丢失概率，PL_outdoor为户外路径丢失产生的能量损耗，为从主升级节点m至x_m之间子信道k的信干噪比，d为归属升级节点与x_m之间的欧氏距离，为FUE与对其服务的归属升级节点之间使用子信道k进行传输的最大容量，N₀为噪声功率谱密度均值，M为多个主升级节点集合，F为多个主升级节点的干扰集合，为为干扰控制节点y_f与干扰节点f之间使用子信道k进行传输的路径丢失概率，为从升级节点y_m的干扰控制节点y_f至干扰节点f在子信道k的传输容量，为网络中的频谱系数，C_avg为平均网络容量，C为信道容量，W为信道带宽，BER为误比特率，△B为子载波带宽，为独立于M之外的主升级节点m′∈M′在子信道k的传输功率，为主升级节点m的干扰f在子信道k的功率，为x_m与主升级节点m′∈M′之间使用子信道k进行传输的路径丢失概率，为干扰控制节点y_f与主升级节点m之间使用子信道k进行传输的路径丢失概率，为干扰控制节点y_f与主升级节点m′∈M′的干扰f′∈F′之间使用子信道k进行传输的室内路径丢失概率，为从干扰节点f至从升级节点y_m的干扰控制节点y_f之间子信道k的信干噪比，为干扰节点f至从升级节点y_m的干扰控制节点y_f之间子信道k的传输容量，为从干扰节点f至从升级节点y_m之间子信道k的信干噪比，干扰控制节点位于飞蜂窝用户端内,

第二步，功率控制机制为：a.侦听子信道占用情况，若PU不存在，则CU以更大功率进行数据发送,若PU存在,则启用功率控制方法，并通知干扰范围内其余节点该信道将被占用；b.获取在干扰覆盖域内同时接入该信道的所有CU状态信息，并获得它到PU以及到下一跳节点CU的信道增益集合；c.获取参数其中为均值为0,方差为σ的正态分布随机变量，d₀为CU_i至主用户PU的距离，d₁为CU_i至CU_j的距离，g₀为CU_i至主用户PU的路径损耗，g₁为CU_i至CU_j的路径损耗；d.获取最佳传输功率P并以P进行数据传输，CU为从用户。

第三步，建立QoS优化模型:

其中N为网络中的节点集合，N_i为节点i的单跳邻近节点集合，I_i为节点i的干扰节点集合，L为可用信道数目，P＝N×N为节点对集合，p^src,p^dst分别为节点对p的源节点和目的节点，均为决策变量，若业务流从节点i转移至节点j，则反之则若节点i为簇头则h_i＝1，反之则h_i＝0，若节点i为以节点j为簇头的簇中间的某个节点则m_ij＝1，反之则m_ij＝0，若节点k作为簇头节点i与簇头节点j之间的桥接设备则反之则若簇头节点i使用信道l进行数据传输则反之则若簇头节点i与簇头节点j同时使用信道l进行数据传输则反之则若节点j为簇头则h_j＝1，反之则h_j＝0，i≠j。

本发明提出了一种基于层叠网络的QoS优化方法，通过动态调节层叠网络容量和建立QoS优化模型，实现层叠网络的QoS弹性优化管理。

Claims (4)

1.一种基于层叠网络的QoS优化方法，通过动态调节层叠网络容量和建立QoS优化模型，实现层叠网络的QoS弹性优化管理，包括如下步骤：

A、动态调节层叠网络容量，并建立功率控制机制；

B、建立QoS优化模型。

2.根据权利要求1的方法，对于所述步骤A其特征在于：具体为：其中x_m为宏用户设备，k为子信道标识，为主升级节点m在子信道k的传输功率，为主升级节点m在子信道k的功率增益，为x_m与主升级节点m之间使用信道子信道k进行传输的路径丢失概率，PL_outdoor为户外路径丢失产生的能量损耗，为从主升级节点m至x_m之间子信道k的信干噪比，d为归属升级节点与x_m之间的欧氏距离，为FUE与对其服务的归属升级节点之间使用子信道k进行传输的最大容量，N₀为噪声功率谱密度均值，M为多个主升级节点集合，F为多个主升级节点的干扰集合，为为干扰控制节点y_f与干扰节点f之间使用子信道k进行传输的路径丢失概率，为从升级节点y_m的干扰控制节点y_f至干扰节点f在子信道k的传输容量，为网络中的频谱系数，C_avg为平均网络容量，C为信道容量，W为信道带宽，BER为误比特率，△B为子载波带宽，为独立于M之外的主升级节点m′∈M′在子信道k的传输功率，为主升级节点m的干扰f在子信道k的功率，为x_m与主升级节点m′∈M′之间使用子信道k进行传输的路径丢失概率，为干扰控制节点y_f与主升级节点m之间使用子信道k进行传输的路径丢失概率，为干扰控制节点y_f与主升级节点m′∈M′的干扰f′∈F′之间使用子信道k进行传输的室内路径丢失概率，为从干扰节点f至从升级节点y_m的干扰控制节点y_f之间子信道k的信干噪比，为干扰节点f至从升级节点y_m的干扰控制节点y_f之间子信道k的传输容量，为从干扰节点f至从升级节点y_m之间子信道k的信干噪比，干扰控制节点位于飞蜂窝用户端内,

${\mathrm{SINR}}_{x_m,m}^k=\frac{P_m^k{h}_{x_m,m}^k{G}_{x_{m,}m}^k}{N_0\mathrm{\Δ}B+{\mathrm{\Σ}}_{m^{\′}\∈M^{\′}}{P}_{m^{\′}}^k{h}_{x_m,m^{\′}}^k{G}_{x_m,m^{\′}}^k+{\mathrm{\Σ}}_{f\∈F}{P}_f^k{G}_{x_m,f}^k}$

$G_{x_m,m}^k={10}^{-{\mathrm{PL}}_{outdoor}/10}$

PL_outdoor＝28+35log₁₀(d)

$C_{y_{m,}m}^k=(\mathrm{\Δ}B.{\log }_2(1+{\mathrm{\αSINR}}_{y_m,m}^k\left)\right)$

$\mathrm{\α}=\frac{-1.5}{ln\left(5XBER\right)}$

${\mathrm{SINR}}_{y_f,f}^k=\frac{P_f^k{G}_{y_{f,}f}^k}{N_0\mathrm{\Δ}B+{\Σ}_{m\∈M}{P}_m^k{h}_{y_f,m}^k{G}_{y_f,m}^k+{\Σ}_{f^{\′}\∈F^{\′}}{P}_f^k{G}_{y_f,f^{\′}}^k}$

$C_{y_f,f}^k=(\mathrm{\Δ}B.{\log }_2(1+{\mathrm{\αSINR}}_{y_f,f}^k\left)\right).$

3.根据权利要求1的方法，对于所述步骤A其特征在于：功率控制机制为：a.侦听子信道占用情况，若PU不存在，则CU以更大功率进行数据发送,若PU存在,则启用功率控制方法，并通知干扰范围内其余节点该信道将被占用；b.获取在干扰覆盖域内同时接入该信道的所有CU状态信息，并获得它到PU以及到下一跳节点CU的信道增益集合；c.获取参数其中为均值为0,方差为σ的正态分布随机变量，d₀为CU_i至主用户PU的距离，d₁为CU_i至CU_j的距离，g₀为CU_i至主用户PU的路径损耗，g₁为CU_i至CU_j的路径损耗；d.获取最佳传输功率P并以P进行数据传输，CU为从用户。

4.根据权利要求1的方法，对于所述步骤B其特征在于：建立QoS优化模型:

$\begin{array}{cc}min& \underset{i\∈N}{\Σ}\underset{j\∈N_i}{\Σ}\underset{p\∈P}{\Σ}{f}_{ij}^p\end{array}$

$\begin{array}{cc}\∀i,j\∈N_i,\∀p:& f_{ij}^p\≤m_{ji}+m_{ij}\end{array}$

$\begin{array}{cc}\∀i,j\∈N_i,\∀p:& f_{ij}^p\≤2-h_i+h_j\end{array}$

$\begin{array}{cc}\∀i,j\∈N_i,\∀p:& f_{ij}^p\≤h_i+h_j\end{array}$

$\begin{array}{cc}\∀i,j\∈N_i:& h_i+h_j\≤1\end{array}$

$\begin{array}{cc}\∀i,j\∈N_i:& m_{ji}\≤h_i\end{array}$

$\begin{array}{cc}\∀i:& 1-h_i\≤\underset{j\∈N_i}{\Σ}{m}_{ij}\≤2\·(1-h_i)\end{array}$

$\begin{array}{cc}\&ForAll;i,j<i:& b_{ij}^k=m_{ki}\&CenterDot;m_{kj}\end{array}$

$\begin{array}{cc}\&ForAll;i,j<i:& \underset{k\&Element;N_j}{\underset{k\&Element;N_i}{\&Sigma;}}{b}_{ij}^k\&le;1\end{array}$

$\begin{array}{cc}\&ForAll;i,j,l:& y_{ij}^k=x_i^l\&CenterDot;x_j^l\end{array}$

$\begin{array}{cc}\&ForAll;i,j\&Element;I_i,l:& y_{ij}^l=0\end{array}$

其中N为网络中的节点集合，N_i为节点i的单跳邻近节点集合，I_i为节点i的干扰节点集合，L为可用信道数目，P＝N×N为节点对集合，p^src,p^dst分别为节点对p的源节点和目的节点，均为决策变量，若业务流从节点i转移至节点j，则反之则若节点i为簇头则h_i＝1，反之则h_i＝0，若节点i为以节点j为簇头的簇中间的某个节点则m_ij＝1，反之则m_ij＝0，若节点k作为簇头节点i与簇头节点j之间的桥接设备则反之则若簇头节点i使用信道l进行数据传输则反之则若簇头节点i与簇头节点j同时使用信道l进行数据传输则反之则若节点j为簇头则h_j＝1，反之则h_j＝0，i≠j。